Способ (варианты) и система для извлечения тепловой энергии из отработавших газов цилиндров двигателя
Предлагаются способы и системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии, работающие с циклом Ранкина, для извлечения энергии из отработавших газов, которую можно использовать для производства дополнительной работы в транспортном средстве. В одном из примеров способ может включать оснащение зоны головки каждого цилиндра двигателя массивом труб, содержащим одну или несколько труб, проходящих через камеру сгорания соответствующего цилиндра. В каждый массив труб, в частичной зависимости от температуры массива труб соответствующего цилиндра, может впрыскиваться рабочая жидкость, которая затем может быть использована для извлечения тепловой энергии. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и системам для извлечения тепловой энергии из отработавших газов цилиндра автомобиля.
Предшествующий уровень техники и сущность изобретения
Двигатели внутреннего сгорания создают энергию движения (например, совершают механическую работу) посредством сжигания ископаемого топлива в камерах сгорания двигателя. Образующиеся при сгорании топлива горячие отработавшие газы используются для перемещения поршня и/или выполнения в процессе их расширения другой работы в транспортном средстве. Затем эти горячие отработавшие газы перед выходом в атмосферу проходят через выпускную систему транспортного средства. Побочным продуктом сжигания ископаемого топлива является тепло. Лишь малая часть энергии, содержащейся в химических связях ископаемого топлива, используется для продвижения автомобиля, и много энергии рассеивается в окружающее пространство в виде энтропийного тепла, которое не может быть использовано. Сгорание ископаемого топлива в камерах сгорания происходит в повторяющемся циклическом режиме и может поэтому рассматриваться как термодинамический цикл. Посредством извлечения и последующего использования тепла, выделяемого в ходе той или иной стадии или стадий цикла сжигания, когда тепло выделяется в качестве побочного продукта (например, при сгорании), появляется возможность извлечения тепловой энергии из отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания с целью повышения экономии топлива.
Так, например, способ извлечения и использования сбросной тепловой энергии из отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания может включать использование части сбросного тепла, например в цикле Ранкина, для выработки механической или электрической энергии, называемой в настоящем описании работой, из энтропийного тепла отработавших газов, образовавшихся в процессе горения. Конкретно, сбросное тепло отработавших газов может быть передано рабочей жидкости с целью получения пара, который можно использовать для производства работы в автомобиле, повышая тем самым экономию топлива. Пар рабочей жидкости затем конденсируют в жидкую фазу для новой подачи и начала нового термодинамического цикла Ранкина. Пример такого решения дал Гляйх (Gleich) с сотр. в немецкой патентной заявке №201210015927. В ней Гляйх раскрывает теплообменник отработавших газов, смонтированный в гильзе цилиндра, причем гильза содержит рабочую жидкость, которая может быть превращена в пар для производства в транспортном средстве работы по типу цикла Ранкина.
Однако авторы настоящего изобретения увидели потенциальные проблемы таких систем. Так, например, температуры цилиндров различаются в зависимости от условий работы транспортного средства, и равномерное охлаждение цилиндров одним и тем же количеством рабочей жидкости в каждой гильзе цилиндра, когда один или несколько цилиндров уже имеют сравнительно низкую температуру, может негативно отразиться на коэффициенте сгорания и экономии топлива.
В одном из примеров вышеописанные проблемы могут быть решены способом, содержащим следующие шаги: по отдельности, в зависимости от температуры цилиндра двигателя, впрыскивают жидкость в несколько труб массива труб, причем каждая труба из нескольких труб проходит через камеру сгорания соответствующего цилиндра двигателя в зоне головки цилиндров двигателя; и извлекают тепловую энергию из впрыснутой жидкости после ее прохождения через каждую трубу. Таким образом, жидкость, которая в настоящем раскрытии может называться рабочей жидкостью, может быть раздельно, по условиям цикла каждого цилиндра, переведена из жидкого в газообразное состояние сбросным теплом отработавших газов с целью выполнения дополнительной работы в автомобиле, благодаря чему повышается коэффициент сгорания и экономия топлива.
Так, например, для отслеживания температуры каждого цилиндра может быть использован контроллер, и количество и/или время впрыска жидкости в соответствующий цилиндр двигателя могут быть изменены так, чтобы температура цилиндра удерживалась в границах диапазона горения. К примеру, если какой-то цилиндр двигателя разогревается сильнее других, то в трубопровод, проходящий через этот цилиндр, может впрыскиваться больше жидкости, чтобы способствовать его охлаждению. Альтернативно, если какой-то цилиндр двигателя не достигает пороговой температуры, то в трубопровод, проходящий через этот цилиндр, может впрыскиваться меньше - или совсем не впрыскиваться - жидкости, чтобы увеличить температуру цилиндра и уравнять его с другими цилиндрами двигателя.
Вышеуказанные и другие преимущества и особенности настоящего изобретения будут вполне очевидны из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения» после его рассмотрения - отдельно или со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание графических материалов
На ФИГ. 1 представлена блок-схема системы двигателя в транспортном средстве.
На ФИГ. 2 показан пример системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии.
На ФИГ. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ использования жидкостных инжекторов и системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии по типу цикла Ранкина, соответственно условиям работы двигателя.
На ФИГ. 4 показаны графики, иллюстрирующие связи температур отдельных цилиндров двигателя и объемов впрыска жидкости.
Описание примеров осуществления изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для извлечения сбросного тепла из отработавших газов в системе двигателя, например в системе двигателя, показанной на ФИГ. 1. На ФИГ. 2 показан пример устройства для превращения сбросного тепла отработавших газов в работу в транспортном средстве. Как показано на ФИГ. 2, цилиндр с камерой сгорания, в настоящем раскрытии называемый цилиндром, может быть оснащен массивом труб, расположенных в зоне головки цилиндров, и эти трубы могут принимать жидкость, впрыснутую инжектором жидкости, расположенным выше по потоку от цилиндра. Как показано на ФИГ. 2, массив труб может находиться в тепловом контакте через стенку массива труб с выделяемыми в ходе внутрицилиндрового горения отработавшими газами, и впрыснутая жидкость может быть переведена в пар под действием тепла непосредственного окружения. Переведенная в пар жидкость может затем быть использована для выполнения дополнительной работы в транспортном средстве, перед конденсацией и новой подачей в массив труб. На ФИГ. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ управления количеством жидкости (например, рабочей жидкости), впрыскиваемой в каждый цилиндр двигателя соответственно температуре конкретного цилиндра и условиям работы транспортного средства. Блок-схема ФИГ. 3, далее, показывает, как впрыснутая жидкость может вытянуть сбросное тепло из отработавших газов, для того чтобы произвести дополнительную работу в транспортном средстве. Графики ФИГ. 4 показывают, как жидкость (например, рабочая жидкость) в раскрытом варианте осуществления может быть использована для управления температурами цилиндров двигателя. Конкретно, ФИГ. 4 иллюстрирует обратно пропорциональную зависимость температуры конкретного цилиндра от объема впрыска жидкости в этот цилиндр. Таким образом, жидкость, впрыснутая в массивы труб, проходящие через цилиндры двигателя, может выполнять сдвоенную функцию извлечения дополнительной работы из сбросного тепла отработавших газов, а также раздельного мониторинга и регулирования температуры отдельных цилиндров, повышая тем самым экономию топлива.
На ФИГ. 1 дано схематическое изображение одного цилиндра многоцилиндрового двигателя 10, который может входить в тяговую систему автомобиля. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, содержащей контроллер 12, и вводами водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для выдачи пропорционального Положению Педали сигнала ПП (РР). Транспортное средство может содержать сцепление 135. В одном из примеров двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, контроллером 12 и вводами водителя 132 транспортного средства через педаль 133 сцепления, снабженную датчиком 131 педали сцепления. Один ввод в контроллер 12 может быть от датчика 131 педали сцепления. Датчик 131 педали сцепления определяет положение педали 133 сцепления. Положение педали 133 сцепления определяет включение сцепления 135. Положение педали сцепления используется в раскрытом примере настоящего описания, так как это удобно для раскрытия мониторинга включения сцепления. Однако следует понимать, что вместо замера положения педали сцепления могут быть использованы другие способы для отслеживания и обеспечения обратной связи включения сцепления. В другом примере сцепление 135 может быть автоматическим. В принципе, контроллер 12 может посылать сигнал перевода муфты сцепления 135 в то или иное положение в зависимости от условий работы двигателя. Как объяснено ниже, сцепление 135 может содержать привод муфты сцепления, который использует энергию вращения, передаваемую другим элементом (например валом, соединенным с турбиной, как показано на ФИГ. 2), для включения и переключения сцепления 135.
Камера сгорания (т.е. цилиндр) 30 двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания, охватывающие поршень 36. В некоторых вариантах осуществления в поверхности поршня 36 внутри цилиндра 30 может быть углубление. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 так, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему передач. Далее, с коленчатым валом 40 может быть через маховик соединен стартер для запуска двигателя 10. И, далее, в настоящем варианте осуществления, раскрытом подробнее на дальнейших ФИГ., коленчатый вал 40 может раскручиваться паром.
Камера сгорания 30 может получать всасываемый воздух, прошедший через впускной канал 42, из впускного коллектора 44, а газообразные продукты сгорания могут выходить через газоотводный канал 48. Впускной коллектор 44 и газоотводный канал 48 могут селективно соединяться с камерой сгорания 30 через, соответственно, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 может содержать два или несколько впускных клапанов и/или два или несколько выпускных клапанов.
Впускной клапан 52 может управляться контроллером 12 через Электрический Клапанный Привод ЭКП (EVA) 51. Аналогично, выпускной клапан 54 может управляться контроллером 12 через ЭКП (EVA) 53. Альтернативно, регулируемый клапанный привод может быть электрическим, гидравлическим - или любым другим механизмом, позволяющим осуществить привод клапана. При некоторых условиях контроллер 12 может изменять сигналы, выдаваемые на приводы 51 и 53 для управления открытием и закрытием, соответственно, впускного и выпускного клапанов. Положения впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 могут замеряться, соответственно, датчиками 55 и 57 положения клапанов. В альтернативных вариантах осуществления один или несколько впускных и выпускных клапанов могут приводиться одним или несколькими кулачками, и для изменения работы клапанов могут использоваться одна или несколько систем Переключателей Профиля Кулачка ППК (CPS), Регулирования Фаз Кулачков РФК (VCT), Регулирования Фаз Клапанного Распределения РФКР (WT) и/или Регулирования Подъема Клапанов РПК (WL). Так, например, цилиндр 30 может альтернативно содержать впускной клапан, управляемый электрическим клапанным приводом, и выпускной клапан, управляемый кулачковым исполнительным механизмом, содержащим системы ППК (CPS) и/или РФК (VCT).
Топливная форсунка 66 показана соединенной непосредственно с камерой сгорания 30 для впрыска топлива непосредственно в цилиндр пропорционально Ширине Топливного Импульса ШТИ (FPW), поступающего из контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает так называемый «прямой впрыск» топлива в камеру сгорания 30. Топливная форсунка 66 может быть смонтирована, например, в боковине или в вершине камеры сгорания. Топливо может подаваться к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу.
Система 88 зажигания может обеспечивать искру зажигания в камере сгорания 30 с помощью свечи 92 зажигания по сигналу Опережения Зажигания 03 (SA) от контроллера 12 в выбранных режимах работы. Хотя на ФИГ. изображены элементы искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 - или одна, или несколько других камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия, с искрой зажигания или без таковой. В рамках настоящего варианта осуществления камера сгорания может содержать дополнительные элементы и использовать эти элементы новыми способами, соответствующими варианту осуществления, раскрытому в описаниях последующих ФИГ.
Впускной канал 42 или впускной коллектор 44 может содержать дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 64, или отверстие дросселя, может изменяться контроллером 12 с помощью сигналов, выдаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, входящий в состав дросселя 62; такую систему обычно называют Электронным устройством Управления Дроссельной заслонкой ЭУД (ETC). Таким образом, дроссель 62 может управляться для изменения количества всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания 30, а также в прочие цилиндры двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может сообщаться в контроллер 12 с помощью сигнала Положения Дроссельной заслонки ПД (TP). Впускной канал 42 может содержать датчик 120 Массы Поступающего Воздуха МПВ (MAF) и датчик 122 Давления Воздуха в Коллекторе ДВК (MAP) для выдачи соответственных сигналов МПВ (MAF) и ДВК (MAP) на контроллер 12.
Далее, система Рециркуляции Отработавших Газов РОГ (EGR) может направить желаемую часть отработавших газов из газоотводного канала 48 во впускной коллектор 44. В этом примере показан ВысокоНапорный ВН(НР) трубопровод 140 РОГ (EGR). Количество рециркулированных отработавших газов, подаваемых во впускной коллектор 44, может варьироваться контроллером 12 с помощью ВН(НР) клапана РОГ (EGR). Далее, датчик 144 РОГ (EGR) может быть размещен внутри ВН(НР) трубопровода 140 РОГ (EGR) и может замерять один или несколько параметров из числа следующих: давление, температура и концентрация отработавших газов. Альтернативно, расход РОГ (EGR) может регулироваться по расчетному значению, в зависимости от сигналов датчиков МПВ (MAF) (датчик расположен выше по потоку), ДВК (MAP) (датчик расположен во впускном коллекторе), Температуры Воздуха в Коллекторе ТВК (МАТ) и оборотов коленвала. Далее, расход РОГ (EGR) может регулироваться в зависимости от показаний датчика содержания кислорода в отработавших газах и/или датчика содержания кислорода во впускном канале (во впускном коллекторе). При определенных условиях система РОГ (EGR) может быть использована для того, чтобы регулировать температуру воздушно-топливной смеси в камере сгорания и/или температуру у бензинового сажевого фильтра (не показано). На ФИГ. 1 показана высоконапорная система РОГ (EGR), однако дополнительно или альтернативно может быть использована система РОГ (EGR) низкого давления. В системе РОГ (EGR) низкого давления газы РОГ могут направляться из точки ниже по потоку от турбины турбонагнетателя в точку выше по потоку от компрессора турбонагнетателя, как показано на ФИГ. 1.
В принципе, двигатель 10 может, далее, содержать компрессионное устройство, например турбонагнетатель или нагнетатель, включающий по меньшей мере компрессор 162, расположенный по ходу впускного коллектора 44. В случае турбонагнетателя компрессор 162 может, по меньшей мере частично, приводиться от турбины 164 (например, через вал), расположенной по ходу газоотводного канала 48. В случае нагнетателя компрессор 162 может, по меньшей мере частично, приводиться от двигателя 10 и/или электрической машины и может не включать турбины. Таким образом, степень сжатия, обеспечиваемая для одного или нескольких цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или нагнетателя, может варьироваться контроллером 12.
Датчик 126 отработавших газов показан соединенным с газоотводным каналом 48 выше по потоку от устройства 70 Очистки Отработавших Газов ООГ(ECD).
Датчик 126 отработавших газов может представлять собой любой подходящий датчик для выдачи значений соотношения воздух-топливо в отработавших газах, например, линейный кислородный датчик, или УКОГ (UEGO - Универсальный, или широкодиапазонный, датчик содержания Кислорода в Отработавших Газах), бистабильный кислородный датчик, или КОГ (EGO), ПКОГ (HEGO - Подогреваемый КОГ), датчики оксидов азота NOx, углеводородов НС или окиси углерода СО. В некоторых вариантах осуществления датчик 126 отработавших газов может использоваться в сочетании с кислородным датчиком (не показан) и/или датчиком температуры (не показан).
Устройство 71 очистки отработавших газов ООГ (ECD) показано размещенным вдоль газоотводного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 отработавших газов. Устройство 71 ООГ (ECD) содержит Трехкомпонентный Каталитический Нейтрализатор ТКН (TWC) и Бензиновый Сажевый Фильтр БСФ (GPF) и может опционально включать один или несколько датчиков, например датчик давления или датчик температуры.
Контроллер 12 на ФИГ. 1 показан в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, электронную среду (например, машиночитаемую) хранения выполняемых программ и калибровочных значений, в данном конкретном примере показанную в виде постоянного запоминающего устройства 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и шину данных. Контроллер 12 может принимать, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, среди которых можно назвать: показание массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; показание температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 40; сигнал положения дросселя (ПД), или отверстия дросселя, от датчика положения дросселя; и сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122 давления. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал ДВК от датчика ДВК можно использовать для индикации разрежения или давления во впускном коллекторе. Заметим, что могут быть использованы разные сочетания вышеупомянутых датчиков, например датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В процессе стехиометрической работы датчик ДВК может указывать крутящий момент двигателя. Далее, этот датчик, вместе с замеренной частотой вращения двигателя, может дать оценку введенного в цилиндр заряда (включая воздух). В одном из примеров датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может выдавать заранее заданный ряд равноотстоящих импульсов за каждый оборот коленчатого вала. Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков ФИГ. 1 и использует различные исполнительные механизмы ФИГ.1 для регулировки работы двигателя в зависимости от принятых сигналов и инструкций, сохраняемых в памяти контроллера.
На носителе постоянного запоминающего устройства 106 могут быть записаны машиночитаемые данные, представляющие собой команды, исполняемые микропроцессором 102 для осуществления способов, раскрытых в настоящем описании, а также других вариантов, которые предполагаются, но не указаны конкретно. Как отмечено выше, на ФИГ. 1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и подобным же образом каждый цилиндр может содержать свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и т.д.
На ФИГ. 2 показана часть цилиндра в двигателе внутреннего сгорания, включающая модифицированный цилиндр в настоящем варианте осуществления и сопутствующие элементы системы 200 внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии. В некоторых примерах модифицированный цилиндр системы 200 внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии, раскрытый в настоящем описании, может быть цилиндром 30 ФИГ. 1. Таким образом, цилиндр 215, показанный на ФИГ.2, может применяться в двигателе 100, показанном на ФИГ. 1.
Как показано на ФИГ. 2, система 200 внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии содержит насос 204, ввод работы 202, жидкостный инжектор 206, впускной клапан 208, выпускной клапан 212, массив 210 труб, камеру сгорания 214, цилиндр 215, поршень 216, датчик температуры 217, ввод теплоты 218, трубопровод 220, устройство с температурным градиентом 222, турбину 224, устройство с температурным градиентом 226, вал 228, элемент 230 двигателя, выход работы 232, конденсатор 234, охлаждающие трубы 236, выход теплоты 238, устройство с температурным градиентом 240 и конденсат 242.
На ФИГ. 2 показан пример цикла Ранкина, причем цикл модифицирован для применения в двигателе внутреннего сгорания. Цикл Ранкина это идеальный термодинамический цикл теплового двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания), в котором теплота превращается в механическую работу. Теплота вводится извне в замкнутый контур, причем в качестве рабочей жидкости контура обычно используют воду. На ФИГ. 2 теплота отработавших газов вводится извне в камеру сгорания 214 в замкнутый контур трубопровода 220. Кпд цикла Ранкина ограничен высокой теплотой парообразования рабочей жидкости. Рабочая жидкость системы ФИГ. 2 - вода, но в альтернативных вариантах осуществления рабочая жидкость может иметь органическую природу. Рабочая жидкость, в настоящем описании иногда называемая просто жидкостью, в цикле Ранкина течет по замкнутому контуру через трубопровод 220; она используется постоянно и многократно. Цикл Ранкина может быть разделен на четыре процесса, обозначенных на ФИГ. 2 как ввод работы 202, ввод теплоты 218, выход работы 232 и выход теплоты 238.
Рассмотрим ФИГ. 2; первый процесс цикла Ранкина начинается с ввода работы 202 и условно изображается как "W насоса". В одном из примеров контроллер 207 (например контроллер 12, показанный на ФИГ. 1) включает насос 204, и насос гонит рабочую жидкость по трубопроводу 220 системы 200 внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии к жидкостному инжектору 206. В трубопроводе 220 давление конденсата 242 рабочей жидкости поднимается от низкого до высокого. Так как жидкость на этой стадии находится в жидком состоянии, насос требует малого подвода энергии. Рабочую жидкость перекачивают от насоса 204 вниз по потоку к жидкостному инжектору 206, заканчивая таким образом первый процесс (т.е. ввод работы 202) цикла Ранкина и начиная второй процесс (т.е. ввод теплоты 218). В этом варианте осуществления каждый цилиндр 215 (на ФИГ. 2 показан только один) двигателя оснащен по меньшей мере одним жидкостным инжектором 206. Кроме того, каждый цилиндр 215 содержит массив 210 труб, и каждый массив труб содержит одну или несколько труб, проходящих через камеру сгорания 214 цилиндра 215. К примеру, каждый массив 210 труб может включать массив параллельных труб, проходящих через внутренний объем цилиндра 215. Жидкостный инжектор 206 для каждого цилиндра может соединяться с массивом труб 210 соответствующего цилиндра 215 (так, что рабочая жидкость из жидкостного инжектора 206 проходит через внутренний объем одной или нескольких труб массива 210 труб в цилиндре 215).
Жидкостный инжектор 206 впрыскивает рабочую жидкость в массив 210 труб в зависимости от температуры соответствующего цилиндра и условий работы двигателя. К примеру, контроллер 207 может активировать жидкостный инжектор 206 для впрыска рабочей жидкости в массив 210 труб. Контроллер 207 может регулировать жидкостным инжектором 206 время впрыска и количество впрыскиваемой жидкости конкретно для цилиндра 215, в зависимости от температуры цилиндра 215 (определенной по полученному контроллером 207 сигналу датчика температуры 217). К примеру, в случае нескольких цилиндров, каждый из которых содержит свой собственный массив 210 труб и жидкостный инжектор 206, контроллер может раздельно регулировать время впрыска и количество впрыскиваемой жидкости в каждый массив 210 труб посредством раздельной активации каждого жидкостного инжектора 206, в зависимости от температуры каждого отдельного цилиндра.
Жидкостный инжектор 206 может впрыскивать жидкость в соответствующий массив 210 труб цилиндра 215 в начале такта выпуска цилиндра 215. Как известно специалистам, в начале такта выпуска камера сгорания 214 наполнена отработавшими газами, а поршень 216 находится в Нижней Мертвой Точке НМТ (BDC). В течение такта выпуска выпускной клапан 212 открыт (тогда как впускной клапан 208 остается закрытым) и поршень 216 поднимется к Верхней Мертвой Точке ВМТ (TDC). Отработавшие газы сжимаются поршнем 216 и направляются к открытому выпускному клапану 212, поэтому они вступают в контакт с наружной стенкой одной или нескольких труб массива 210 труб. В результате горячие отработавшие газы нагревают рабочую жидкость, проходящую через внутренний объем одной или нескольких труб массива 210 труб в камере сгорания 214 цилиндра 215. Жидкостный инжектор 206 не может начать впрыск жидкости в соответствующий массив 210 труб цилиндра 215 раньше, чем двигатель достигнет пороговой температуры. Каждый жидкостный инжектор 206 может быть активирован отдельно, и/или его работа может отслеживаться контроллером 207, например контроллером 12 двигателя ФИГ. 1. Итак, надзор контроллера позволяет впрыскивать в каждый массив труб, проходящий через каждый цилиндр 215, свое количество рабочей жидкости (например, с использованием широтно-импульсной модуляции) и дает возможность управлять впрыском (временем и объемом) рабочей жидкости отдельно по каждому цилиндру 215. Управление количеством рабочей жидкости, впрыскиваемой в каждый цилиндр 215, позволяет контроллеру отслеживать и регулировать температуры отдельных цилиндров. К примеру, если цилиндр 215 чрезмерно разогревается (что сообщается контроллеру 207 двигателя датчиком 217 температуры), контроллер может послать в ответ сигнал жидкостному инжектору 206 впрыскивать больше жидкости и впрыскивать ее чаще, пока температура цилиндра не упадет ниже заранее заданного температурного порога. Рабочая жидкость вводится жидкостным инжектором 206 в распыленном виде, поэтому она течет вниз по потоку к массиву 210 труб и цилиндру 215.
Массив 210 труб может располагаться в зоне головки (например, в самом верху) цилиндров 215, около впускного клапана 208 и/или выпускного клапана 212. Массив 210 труб представляет собой часть трубопровода 220, поскольку массив 210 труб соединяется с трубопроводом 220 по обе стороны цилиндра 215. Как указано выше, массив 210 труб может содержать несколько труб, причем каждая труба массива проходит через камеру сгорания 214 соответствующего цилиндра 215 двигателя. Для каждого цилиндра 215 может быть обеспечен по меньшей мере один массив 210 труб и по меньшей мере один соответствующий жидкостный инжектор 206. Массив 210 труб может быть использован для переноса рабочей жидкости и может функционировать как теплообменник, передавая сбросное тепло отработавших газов камеры сгорания 214 рабочей жидкости в массиве 210 труб. Следует понимать, что трубопровод массива 210 труб отделен от камеры сгорания 214 цилиндра 215 стенкой так, что рабочая жидкость никогда не контактирует непосредственно с воздушно-топливной смесью цилиндра 215. Массив 210 труб может иметь везде одинаковые поперечное сечение, объем и форму - или может иметь различные геометрические конфигурации для оптимально эффективного извлечения сбросного тепла. К примеру, массив 210 труб может иметь увеличенную площадь поверхности, окружающей выпускной клапан 212, с целью вытянуть больше сбросного тепла из отработавших газов в рабочую жидкость. Такая конфигурация может позволить передать рабочей жидкости, находящейся внутри стенок массива 210 труб, больше тепла с выхода отработавших газов при их максимальной температуре, что, в свою очередь, позволит получить больше работы из сбросного тепла отработавших газов (подробнее будет раскрыто ниже).
Вновь обратимся к ФИГ. 2; итак, второй процесс цикла Ранкина может быть изображен как ввод теплоты 218, обозначенный условно "Q ввод". В процессе ввода теплоты 218 сбросное тепло из отработавших газов, находящихся в камере сгорания 214, передается в силу теплопроводности через стенки массива 210 труб рабочей жидкости в массиве. Впрыснутая распыленная рабочая жидкость затем, благодаря притоку теплоты в окружающее пространство, испытывает фазовое превращение, переходя из жидкости под высоким давлением в сухой насыщенный пар, - перед уходом вниз по потоку от камеры сгорания 214 в трубопровод 220.
Оказавшись в трубопроводе 220, сухой насыщенный пар течет к точке выше по потоку от турбины 224. Протекая по трубопроводу 220 к турбине 224, пар может остыть в силу конвекции/теплопроводности, отображенных температурным градиентом 222. Следует понимать, что хотя пар может потерять часть своей теплоты по пути к турбине 224, он не возвращается в жидкое состояние, а остается в своем парообразном состоянии, сохраняя способность произвести работу.
Когда рабочая жидкость в состоянии сухого насыщенного пара достигает турбины 224, может начаться третий процесс цикла Ранкина. Этот третий процесс, обозначенный на ФИГ. 2 как выход работы 232 и условно названный "W турбины", означает превращение регенерированной тепловой энергии в выход работы. Пар рабочей жидкости расширяется через турбину 224, приводя турбину 224 во вращение, вращая таким образом вал 228 и генерируя энергию вращения (например, крутящий момент), которая может быть использована для производства работы (например, создания выходной мощности). Вал 228 соединен с элементом 230 двигателя. Элемент 230 двигателя представляет собой такой элемент двигателя (например двигателя 100 ФИГ. 1), который может использовать энергию вращения, причем "использовать энергию вращения" означает, что элемент 230 двигателя может использовать регенерированную энергию для выполнения работы и/или вспомогательной операции. В одном из вариантов осуществления элемент 230 двигателя может представлять собой коленчатый вал, генератор переменного тока или сцепление, например коленчатый вал 40 или сцепление 135 ФИГ. 1.
Вернемся вновь к ФИГ. 2; пар, в который превращена рабочая жидкость, расширяется через турбину 224, при этом может происходить падение температуры и давления пара и может произойти некоторая его конденсация. Падение температуры и давления может происходить непрерывно вдоль линии температурного градиента 226. Успешно достигнув выпускной части турбины 224, рабочая жидкость выходит из турбины 224 и вновь попадает в трубопровод 220. Затем рабочая жидкость течет по трубопроводу 220 и выходит через противолежащее отверстие в самой верхней части конденсатора 234. В конденсаторе 234 происходит четвертый процесс цикла Ранкина, называемый выходом теплоты 238 и условно изображаемый как "Q выход". В стадии выхода теплоты 238 цикла Ранкина рабочая жидкость в состоянии влажного пара поступает в конденсатор 234, где пар конденсируется в охлаждающих трубах 236 при постоянном давлении, возвращаясь в свое исходное насыщенное (жидкое) состояние (например, в конденсат 242). Падение температуры рабочей жидкости может происходить вдоль линии температурного градиента 240 конденсатора 234. Сконденсировавшись в конденсат 242, рабочая жидкость может выйти из конденсатора 234 через другую часть трубопровода 220 и течь к насосу 204 для начала нового цикл Ранкина.
Таким образом, сбросное тепло отработавших газов можно использовать для производства работы где-либо в транспортном средстве, повышая тем самым экономию топлива. Далее, температуры отдельных цилиндров могут отслеживаться и регулироваться с помощью датчика температуры 217, контроллера и жидкостного инжектора 206, что может увеличить срок службы элементов двигателя.
На ФИГ. 1-2 представлен пример конфигурации системы с относительным расположением ее различных элементов. Если элементы показаны непосредственно контактирующими друг с другом или непосредственно соединенными, то такие элементы могут называться, соответственно, непосредственно контактирующими или непосредственно соединенными по меньшей мере в одном примере. Аналогично, элементы, показанные смежными или соседствующими друг с другом могут быть, соответственно, смежными или соседствующими друг с другом по меньшей мере в одном примере. Например, элементы, соприкасающиеся с друг с другом, могут называться соприкасающимися. Другой пример: расположенные на расстоянии друг от друга элементы, между которыми только разделяющее их пространство и нет других элементов, могут называться разделенными по меньшей мере в одном примере.
Обратимся к ФИГ. 3; на ней раскрыт способ 300 регулировки и эксплуатации системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии, например, показанной на ФИГ. 2 системы 200 внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии. Команды осуществления способа 300 могут выполняться контроллером (например контроллером 12, показанным на ФИГ. 1, и/или контроллером 207, показанным на ФИГ. 2) на основе инструкций, сохраняемых в памяти контроллера, и во взаимодействии с сигналами, полученными от датчиков системы двигателя, например датчиков, описанных выше со ссылкой на ФИГ. 1-2. Контроллер может использовать исполнительные механизмы системы двигателя (например, исполнительные механизмы жидкостных инжекторов, к примеру жидкостного инжектора 206, показанного на ФИГ. 2) для регулировки работы двигателя согласно способам, раскрытым ниже. Способ ФИГ. 3 начинается с шага 302, на котором оценивают и/или замеряют эксплуатационные характеристики работы двигателя. Оценка и/или замер условий работы двигателя могут включать обработку входных данных от датчиков, расположенных внутри и/или вне системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии, определение температуры двигателя, температуры цилиндра, статуса системы автоматического поддержания заданной скорости транспортного средства, ускорения/торможения транспортного средства, наличия условий холодного запуска двигателя транспортного средства и т.д. К примеру, набор условий работы двигателя может включать частоту вращения и/или нагрузку двигателя, окружающую температуру, температуру двигателя, температуры отдельных цилиндров и т.д.
На шаге 304 способа определяют, выполнены ли условия для впрыска жидкости. Как раскрыто выше со ссылкой на ФИГ. 2, рабочая жидкость системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии вводится в массив труб отдельного цилиндра двигателя, причем время и объем впрыска регулируются соответствующим жидкостным инжектором. Если температура того или иного цилиндра недостаточно высока для того, чтобы могло происходить испарение рабочей жидкости в соответствующем массиве труб, то контроллер может определить, что условия впрыска жидкости в массив труб этого цилиндра не выполнены, и способ переходит к шагу 306. К примеру, согласно способу на шаге 304 для каждого цилиндра может определяться, превышает ли температура цилиндра пороговую, где порог определяется величиной, при которой рабочая жидкость может быть переведена в пар и использована для регенерации энергии.
На шаге 306 способа поддерживают работу двигателя и не впрыскивают жидкость в массив труб цилиндра. Цилиндр продолжает функционировать в нормальном режиме, проходя, как известно специалистам, четыре стадии горения и не получая впрыска рабочей жидкости в массив труб этого цилиндра. К примеру, топливо может впрыскиваться в цилиндр топливной форсункой, но соответствующий жидкостный инжектор не может впрыскивать рабочую жидкость в массив труб, проходящий через этот цилиндр. Контроллер может непрерывно отслеживать температуру цилиндра с помощью датчика температуры, расположенного внутри, сверху и/или около цилиндра, проверяя, выполнены ли условия для впрыска жидкости. Следует понимать, что температура каждого цилиндра отслеживается отдельно и, как раскрыто ниже, отдельно оценивается контроллером. К примеру, в одном цилиндре двигателя условия для впрыска жидкости могут не выполняться, тогда как в остальных цилиндрах эти условия выполняются. В этом примере один цилиндр, в котором условия для впрыска жидкости не выполняются, может не получать рабочей жидкости в свой массив труб, тогда как в соответствующие массивы труб остальных цилиндров поступают подобранные для каждого цилиндра количества рабочей жидкости. Цилиндр продолжает поддерживать работу двигателя и без впрыска жидкости инжектором - пока не будут выполнены условия для впрыска жидкости. Если условия для впрыска жидкости выполнены, способ переходит к шагу 308.
На шаге 308 способа определяют время и объем впрыска жидкости. Как было отмечено выше, жидкостные инжекторы, расположенные у отдельных цилиндров, отслеживаются и активируются по отдельности. Жидкостные инжекторы впрыскивают распыленные капельки рабочей жидкости в массивы труб соответствующих цилиндров, при этом время впрыска и количество жидкости, введенной в каждый цилиндр, может варьироваться в зависимости от условий работы двигателя. Регулировки времени впрыска и количества впрыскиваемой рабочей жидкости могут включать увеличение количества впрыскиваемой жидкости с повышением температуры цилиндра двигателя. К примеру, датчик температуры может сигнализировать контроллеру, что температура цилиндра повышается. В ответ контроллер может послать на жидкостный инжектор этого цилиндра команду вводить больше жидкости пропорционально температуре цилиндра. Увеличенное количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб соответствующего цилиндра, может вытянуть больше тепла из цилиндра, регулируя тем самым температуру цилиндра и/или управляя температурой цилиндра и/или температурой горения. Регулировка количества впрыскиваемой жидкости может также включать регулировку сигнала широтно-импульсной модуляции (например, цифрового сигнала), направляемого жидкостному инжектору. Кроме того, регулировки времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости могут включать установку запаздывания времени впрыска относительно такта выпуска цилиндра двигателя в ответ на одно или несколько указаний на детонацию и/или условия холодного запуска двигателя. К примеру, впрыск жидкости может быть сдвинут в сторону опережения, чтобы он происходил в такте сжатия цикла цилиндра (вместо такта выпуска) соответственно указаниям на детонацию двигателя (например, из-за самовоспламенения). Когда контроллер определил объем и время впрыска рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб каждого цилиндра соответствующим жидкостным инжектором, способ переходит к шагу 310.
На шаге 310 способа впрыскивают рабочую жидкость в массив труб. Соответственно условиям работы двигателя, контроллер может послать сигнал на один или несколько жидкостных инжекторов для впрыска рабочей жидкости распыленной капельной струей в начале такта выпуска каждого соответствующего цилиндра (или в момент времени, определенный на шаге 308). Благодаря тому, что цилиндры работают с разносом по времени, в определенном порядке зажигания, рабочая жидкость будет впрыскиваться во все соответствующие цилиндры с разносом по времени и в порядке зажигания двигателя, генерируя тем самым более или менее постоянный поток пара, предназначенного для совершения работы. К примеру, каждый цилиндр шестицилиндрового двигателя может быть готов для впрыска жидкости. Все цилиндры могут работать с одной и той же пороговой температурой и могут поэтому получать одно и то же количество впрыскиваемой рабочей жидкости. В начале каждого такта выпуска цилиндра рабочая жидкость может впрыскиваться распыленной капельной струей инжектором жидкости в массив труб над соответствующим цилиндром, где жидкость затем испаряется теплопередачей сбросного тепла. Хотя цилиндры могут производить пар в разные моменты времени, разнос по времени, с которым выделяется пар, создает сравнительно постоянный поток пара, который проходит через остальную часть системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии для совершения работы. После впрыска рабочей жидкости в соответствующий массив труб, способ переходит к шагу 312.
На шаге 312 способа извлекают энергию из рабочей жидкости, когда она выходит из цилиндра по трубам массива. Извлечение энергии из рабочей жидкости может включать направление рабочей жидкости по трубопроводу в турбину. Таким образом, рабочая жидкость в виде пара может вращать турбину, например турбину 224 ФИГ. 2. Тем самым энергия отработавших газов, которая была использована для перевода рабочей жидкости в пар, используется для вращения турбины и создания энергии вращения (например, крутящего момента), которая может быть использована для совершения работы. Как было раскрыто выше, эта работа в виде механической или электрической энергии может быть использована для привода или дополнительного привода ряда элементов двигателя, например коленчатого вала или сцепления. Регенерировав энергию с помощью рабочей жидкости в виде пара, предназначенного для совершения работы, способ переходит к шагу 314.
На шаге 314 способа передают регенерированную энергию одному или нескольким элементам двигателя. К примеру, энергия вращения, регенерированная в турбине, может быть передана другому механическому или электрическому элементу двигателя. В одном из примеров регенерированную энергию вращения можно использовать, приводя коленчатый вал и/или сцепление двигателя. В другом примере регенерированную энергию можно использовать, приводя генератор переменного тока для выработки электроэнергии. Полученную таким образом электроэнергию можно использовать для питания вспомогательной электрической нагрузки, что, в свою очередь, повышает экономию топлива, снижая добавочную нагрузку на двигатель.
Таким образом, контроллер транспортного средства может определить, при каких условиях работы двигателя эффективно вводить рабочую жидкость в массив труб, расположенный в зоне головки соответствующих цилиндров. Контроллер может одновременно оценивать и/или замерять температуры нескольких цилиндров, чтобы определить, когда и сколько жидкости впрыскивать (или не впрыскивать) в каждый отдельный цилиндр. Контроллер может затем вводить подобранные для каждого цилиндра количества рабочей жидкости в соответствующие цилиндры в различные моменты времени, с целью получения из рабочей жидкости пара для совершения работы.
Обратимся к ФИГ. 4; на ней показаны графики, иллюстрирующие связи температур отдельных цилиндров двигателя и объемов впрыска жидкости. Как видно, по оси х отложено время, увеличивающееся при движении вдоль оси х слева направо. По оси у, как видно из графиков, отложены два разных параметра двух цилиндров. А именно, показаны температуры цилиндров и количества рабочей жидкости, впрыскиваемой в каждый из цилиндров, 1 и 2. Величины этих параметров для соответствующих цилиндров пропорциональны их положению по оси у (чем больше величина отрезка по оси у, тем больше величина параметра, будь то температура или количество рабочей жидкости), для конкретного момента времени, определяемого положением вдоль оси х. Итак, температура первого цилиндра обозначена как «Температура Цилиндра 1». Изменение температуры этого первого цилиндра со временем показывает график 402. Количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб этого же первого цилиндра, обозначено как «Жидкость Цилиндра 1». Изменение количества рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб этого первого цилиндра, со временем показывает график 404. Температура второго цилиндра обозначена как «Температура Цилиндра 2». Изменение температуры этого второго цилиндра со временем показывает график 406. Количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб, этого же второго цилиндра, обозначено как «Жидкость Цилиндра 2». Изменение количества рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб этого второго цилиндра, со временем показывает график 408.
Вернемся вновь к ФИГ. 4 и рассмотрим графики 402 и 404; можно видеть, что количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб первого цилиндра, пропорционально температуре (например, теплоте) этого цилиндра. Рассмотрим момент времени, обозначенный на ФИГ. 4 как Т1; можно видеть, что, по мере приближения к моменту Т1, с ростом температуры первого цилиндра возрастает и количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб этого цилиндра. Следует понимать, что количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в массив труб цилиндра, пропорционально температуре соответствующего цилиндра, так что повышение температуры может вызвать увеличение объема впрыска рабочей жидкости, но не наоборот. То есть увеличение температуры цилиндра может через контроллер двигателя заставить жидкостный инжектор увеличить количество впрыскиваемой в этот цилиндр рабочей жидкости. Иначе говоря, контроллер в ответ на повышение температуры цилиндра может увеличить впрыск рабочей жидкости с целью снижения температуры цилиндра. Как было раскрыто выше, количество рабочей жидкости, которое должно быть впрыснуто, определяется условиями работы двигателя. Рабочая жидкость может служить для отвода теплоты из цилиндра посредством вытягивания сбросного тепла из отработавших газов. В момент Т1 температура первого цилиндра (т.е. Цилиндра 1), показанная графиком 402, максимальна. В одном из примеров этот максимум есть следствие условий работы двигателя (например, на крутом уклоне), и контроллер командует, чтобы жидкостный инжектор впрыскивал увеличенное количество рабочей жидкости, так что количество рабочей жидкости в момент Т1, показанное графиком 404, также максимально. После Т1 график 402 снижается, поэтому снижается и график 404. При пониженной температуре первый цилиндр не может переводить в пар то же количество рабочей жидкости, так что и количество впрыскиваемой жидкости падает, чтобы соответствовать новой температуре цилиндра.
Посмотрим на второй цилиндр ФИГ. 4; можно видеть, что и тут имеет место та же пропорциональная зависимость количества впрыскиваемой рабочей жидкости от температуры цилиндра. То есть с падением графика 406 по мере приближения к моменту Т1 снижается и график 408. Когда же, по мере удаления от момента Т1, график 406 растет и выходит на плато, то же показывает и график 408. Графики 406 и 408 второго цилиндра не дают новых данных о связи температуры цилиндра и количества впрыскиваемой рабочей жидкости, которых не давали бы графики 402 и 404 первого цилиндра; однако, сравнивая графики 402 и 404 первого цилиндра с графиками 406 и 408 второго цилиндра, можно видеть, что количество рабочей жидкости, впрыскиваемой в каждый из цилиндров, производится с учетом состояния соответствующего цилиндра. К примеру, в цилиндр 1 впрыскивается больше рабочей жидкости, чем в цилиндр 2, так как цилиндр 1 имеет более высокую температуру, чем цилиндр 2 в момент Т,. Каждый цилиндр отслеживается отдельно и/или задействуется в зависимости от его состояния, в частности, от конкретной температуры данного конкретного цилиндра. К примеру, никакое изменение температуры первого цилиндра (то есть никакое изменение графика 402) не должно влиять на изменение графиков 406 или 408, - каждый цилиндр отслеживается и регулируется независимо.
Таким образом, систему внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии можно использовать для выполнения увеличенного количества работы без сжигания дополнительного ископаемого топлива, повышая тем самым экономию топлива. Технический эффект размещения массива труб системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии в головке цилиндров двигателя заключается в увеличении количества энергии (т.е. теплоты) отработавших газов, передаваемой рабочей жидкости, что ведет к увеличению количества работы, выполняемой при том же расходе ископаемого топлива. Дополнительный технический эффект размещения массива труб системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии в головке цилиндров двигателя заключается в том, что это позволяет контроллеру регулировать температуру цилиндра и/или горения.
В одном из вариантов осуществления способ для двигателя содержит шаги, на которых по отдельности впрыскивают жидкость в несколько массивов труб, причем каждый из этих нескольких массивов труб содержит одну или несколько труб, проходящих через камеру сгорания соответствующего цилиндра двигателя в зоне головки цилиндров двигателя, при этом жидкость впрыскивают в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя; и извлекают тепловую энергию из впрыснутой жидкости после ее прохождения через каждый массив труб. В первом примере способа, дополнительно по меньшей мере частично приводят в движение один или несколько из следующих элементов двигателя: коленчатый вал и сцепление, используя регенерированную тепловую энергию. Второй пример способа опционально содержит первый пример, и дополнительно, согласно этому способу, одна или несколько труб каждого массива труб отделена от камеры сгорания соответствующего цилиндра стенкой. Третий пример способа опционально содержит один из двух или оба первых примера, и дополнительно, согласно этому способу, раздельный впрыск жидкости в несколько массивов труб включает в себя шаг, на котором в каждый массив труб по отдельности впрыскивают жидкость в начале такта выпуска соответствующего цилиндра двигателя. Четвертый пример способа опционально содержит один или несколько из первых трех примеров, и дополнительно, согласно этому способу, начинают раздельный впрыск жидкости в несколько массивов труб после того, как температура двигателя достигнет пороговой температуры. Пятый пример способа опционально содержит один или несколько из первых четырех примеров, и дополнительно, согласно этому способу, регулируют время впрыска и количество раздельно впрыснутой жидкости для каждого массива труб каждого цилиндра двигателя в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя. Шестой пример способа опционально содержит один или несколько из первых пяти примеров, и дополнительно, согласно этому способу, извлечение тепловой энергии содержит расширение пара, выходящего из нескольких массивов труб, для производства работы в системе, содержащей турбину и компрессор. Седьмой пример способа опционально содержит один или несколько из первых шести примеров, и дополнительно, согласно этому способу, раздельный впрыск жидкости содержит шаг, на котором с помощью контроллера активируют инидвидуальные жидкостные инжекторы, соединенные с каждым из массивов труб выше по потоку от каждого цилиндра двигателя, для впрыска жидкости в течение времени, определяемого требуемым объемом впрыска жидкости. Восьмой пример способа опционально содержит один или несколько из первых семи примеров, и дополнительно, согласно этому способу, не впрыскивают жидкость в один из нескольких массивов труб в ответ на то, что температура соответствующего цилиндра двигателя ниже пороговой температуры.
В другом примере способ для двигателя содержит шаги, на которых регулируют время впрыска и количество жидкости, впрыскиваемой в массив труб, проходящий через камеру сгорания цилиндра двигателя и расположенный в зоне головки цилиндров двигателя около выпускного клапана, в зависимости от условий работы двигателя; извлекают тепловую энергию из впрыснутой жидкости после ее выхода из массива труб ниже по потоку от цилиндра двигателя; и приводят в движение элемент двигателя, по меньшей мере частично используя регенерированную тепловую энергию. В первом примере способа дополнительно условия работы двигателя включают в себя температуру цилиндра двигателя. Второй пример способа опционально содержит первый пример, и дополнительно, согласно этому способу, регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором увеличивают количество впрыскиваемой жидкости по мере увеличения температуры цилиндра двигателя. Третий пример способа опционально содержит один из двух или оба первых примера, и дополнительно, согласно этому способу, регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором снижают количество впрыскиваемой жидкости по мере уменьшения температуры цилиндра двигателя. Четвертый пример способа опционально содержит один или несколько из первых трех примеров, и дополнительно, согласно этому способу, регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором устанавливают опережение времени впрыска относительно такта выпуска цилиндра двигателя в зависимости от указания на детонацию двигателя. Пятый пример способа опционально содержит один или несколько из первых четырех примеров, и дополнительно, согласно этому способу, регулировка количества впрыснутой жидкости включает в себя шаг, на котором регулируют широтно-импульсную модуляцию распыляющего жидкостного инжектора, соединенного с массивом труб выше по потоку от цилиндра двигателя. Шестой пример способа опционально содержит один или несколько из первых пяти примеров, и дополнительно, согласно этому способу, регулировку времени впрыска и количества жидкости, впрыскиваемой в массив труб, осуществляют с помощью контроллера, причем контроллер активирует жидкостный инжектор, соединенный с соответствующим массивом труб выше по потоку от цилиндра двигателя.
В следующем варианте осуществления система для двигателя содержит несколько цилиндров двигателя и несколько массивов труб, причем в зоне головки каждого из нескольких цилиндров двигателя смонтирован один из упомянутых нескольких массивов труб, при этом каждый массив труб содержит несколько труб, причем каждая из этих нескольких труб проходит через камеру сгорания соответствующего цилиндра, одного из нескольких цилиндров двигателя, при этом внутренний объем каждой трубы изолирован от остального объема камеры сгорания; и система содержит несколько распыляющих жидкостных инжекторов, причем с входом каждого массива труб соединен по меньшей мере один из упомянутых нескольких жидкостных инжекторов, систему регенерации тепла, соединенную с несколькими массивами труб, как выше, так и ниже по потоку от нескольких цилиндров двигателя, а также контроллер, содержащий инструкции в долговременной памяти для: раздельного впрыска жидкости в каждый из нескольких массивов труб, в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя, с помощью нескольких жидкостных инжекторов; извлечения тепловой энергии из впрыснутой жидкости после ее прохождения через каждый массив труб с помощью системы регенерации тепла; и направления регенерированной энергии в дополнительный элемент двигателя. В первом примере способа дополнительно система регенерации тепла содержит турбину, соединенную с поворотным валом и компрессором, причем поворотный вал соединен с дополнительным элементом двигателя. Второй пример способа опционально содержит первый пример, и дополнительно, согласно этому способу, каждый массив труб содержит большую область теплопередачи, расположенную вокруг седла выпускного клапана каждого из нескольких цилиндров двигателя. Третий пример способа опционально содержит один из двух или оба первых примера, и дополнительно, согласно этому способу, трубы каждого массива труб представляют собой несколько параллельных труб, проходящих через соответствующий цилиндр двигателя в направлении диаметра цилиндра, причем наибольшее число этих параллельных труб сконцентрировано вокруг седла выпускного клапана соответствующего цилиндра двигателя.
1. Способ извлечения тепловой энергии из отработавших газов цилиндров двигателя, содержащий следующие шаги:
по отдельности впрыскивают жидкость в несколько массивов труб, причем каждый из этих нескольких массивов труб содержит одну или несколько труб, проходящих через камеру сгорания соответствующего цилиндра двигателя в зоне головки цилиндров двигателя, при этом некоторое количество жидкости по отдельности впрыскивают в каждый массив труб в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя; и
извлекают тепловую энергию из впрыснутой жидкости после ее прохождения через каждый массив труб.
2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий шаг, на котором, по меньшей мере частично, приводят в движение один или несколько следующих элементов двигателя: коленчатый вал и сцепление, используя регенерированную тепловую энергию.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одна или несколько труб каждого массива труб отделена от камеры сгорания соответствующего цилиндра стенкой.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раздельный впрыск жидкости в несколько массивов труб включает в себя шаг, на котором по отдельности впрыскивают жидкость в каждый массив труб в начале такта выпуска соответствующего цилиндра двигателя.
5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий шаг, на котором начинают раздельный впрыск жидкости в несколько массивов труб после того, как температура двигателя достигнет пороговой температуры.
6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий шаг, на котором регулируют время впрыска раздельно впрыскиваемой жидкости для каждого массива труб каждого цилиндра двигателя в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шаг, на котором извлекают тепловую энергию, содержит расширение пара, выходящего из нескольких массивов труб, для производства работы в системе, включающей в себя турбину и компрессор.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, раздельный впрыск жидкости содержит шаг, на котором с помощью контроллера активируют индивидуальные жидкостные инжекторы, соединенные с каждым из массивов труб выше по потоку от каждого цилиндра двигателя, для впрыска жидкости в течение времени, определяемого требуемым количеством впрыскиваемой жидкости.
9. Способ по п. 1, дополнительно содержащий шаг, на котором не впрыскивают жидкость в один из нескольких массивов труб в ответ на то, что температура соответствующего цилиндра двигателя ниже пороговой температуры.
10. Способ извлечения тепловой энергии из отработавших газов цилиндров
двигателя, содержащий следующие шаги:
регулируют, в зависимости от условий работы первого цилиндра двигателя и второго цилиндра двигателя соответственно время впрыска и количество жидкости, впрыскиваемой в первый массив труб и второй массив труб, проходящие соответственно через камеры сгорания первого цилиндра двигателя и второго цилиндра двигателя и расположенные в зоне головки первого цилиндра двигателя и второго цилиндра двигателя около выпускного клапана;
извлекают тепловую энергию из впрыснутой жидкости после ее выхода из первого массива труб и второго массива труб ниже по потоку от первого цилиндра двигателя и второго цилиндра двигателя и
приводят в движение элемент двигателя, по меньшей мере частично используя регенерированную тепловую энергию.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что условия работы включают в себя первую температуру первого цилиндра двигателя и вторую температуру второго цилиндра двигателя.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором увеличивают количество впрыскиваемой жидкости по мере увеличения первой температуры первого цилиндра двигателя или второй температуры второго цилиндра двигателя.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором снижают количество впрыскиваемой жидкости по мере уменьшения первой температуры первого цилиндра двигателя или второй температуры второго цилиндра двигателя.
14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что регулировка времени впрыска и количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором устанавливают опережение времени впрыска относительно такта выпуска первого цилиндра двигателя или второго цилиндра двигателя в зависимости от указания на детонацию двигателя.
15. Способ по п. 10, отличающийся тем, что регулировка количества впрыскиваемой жидкости включает в себя шаг, на котором регулируют широтно-импульсную модуляцию распыляющего жидкостного инжектора, соединенного с первым массивом труб выше по потоку от первого цилиндра двигателя или со вторым массивом труб выше по потоку от второго цилиндра двигателя.
16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что регулировку времени впрыска и количества впрыскиваемой в первый массив труб и второй массив труб жидкости осуществляют с помощью контроллера, причем контроллер активирует первый жидкостный инжектор, соединенный с первым массивом труб выше по потоку от первого цилиндра двигателя, и второй жидкостный инжектор, соединенный со вторым массивом труб выше по потоку от второго цилиндра двигателя.
17. Система для извлечения тепловой энергии из отработавших газов цилиндров двигателя, содержащая:
несколько массивов труб, причем в зоне головки каждого из нескольких цилиндров двигателя смонтирован один из упомянутых нескольких массивов труб, при этом каждый массив труб содержит несколько труб, причем каждая из этих нескольких труб проходит через камеру сгорания соответствующего цилиндра из нескольких цилиндров двигателя, и при этом внутренний объем каждой трубы изолирован от остального объема камеры сгорания;
несколько распыляющих жидкостных инжекторов, причем с входом каждого массива труб соединен по меньшей мере один из этих нескольких жидкостных инжекторов;
систему регенерации тепла, соединенную с несколькими массивами труб как выше, так и ниже по потоку от нескольких цилиндров двигателя; и контроллер, содержащий инструкции в долговременной памяти для: раздельного впрыска жидкости в каждый из нескольких массивов труб, в зависимости от температуры соответствующего цилиндра двигателя, с помощью нескольких жидкостных инжекторов;
извлечения тепловой энергии из впрыснутой жидкости после ее прохождения через каждый массив труб с помощью системы регенерации тепла и направления регенерированной тепловой энергии в дополнительный элемент двигателя.
18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что система регенерации тепла содержит турбину, соединенную с поворотным валом и компрессором, причем поворотный вал соединен с дополнительным элементом двигателя.
19. Система по п. 17, отличающаяся тем, что каждый массив труб содержит большую область теплопередачи, расположенную вокруг седла выпускного клапана каждого из нескольких цилиндров двигателя.
20. Система по п. 17, отличающаяся тем, что упомянутые несколько труб каждого массива труб содержат несколько параллельных труб, проходящих через соответствующий цилиндр двигателя в направлении диаметра цилиндра, причем наибольшее число этих параллельных труб сконцентрировано вокруг седла выпускного клапана соответствующего цилиндра двигателя.
